Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt

Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt V

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT 3

1.1 Mô tả tổng quát 3

1.2 Cấu trúc lò phản ứng 4

1.2.1 Cấu trúc che chắn của lò phản ứng 4

1.2.2 Thùng lò phản ứng 8

1.2.3 Bố trí vùng hoạt lò phản ứng 8

1.3 Hệ thống kiểm tra độ phản ứng 11

1.3.1 Các đầu dò neutron 11

1.3.2 Các thanh điều khiển hấp thụ 14

1.3.3 Các động cơ thanh điều khiển 14

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN THANH ĐIỀU KHIỂN 16 2.1 Cơ sở lý thuyết 16

2.1.1 Neutron trong lò phản ứng 16

2.2.2 Lò phản ứng không có neutron trễ 16

2.2.3 Lò phản ứng có neutron trễ 17

2.2.4 Phương trình độ phản ứng 18

2.2 Các phương pháp hiệu chuẩn thanh điều khiển 20

2.2.1 Phương pháp chu kỳ tiệm cận 20

2.2.2 Phương pháp dưới tới hạn 22

2.2.3 Phương pháp bù trừ 23

2.2.4 Phương pháp thả rơi thanh 23

2.3 Các bước tiến hành thực nghiệm 25

TÍNH TOÁN ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA LÒ ĐÀ LẠT 27

3.1 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP 27

3.2 Cấu trúc của chương trình MCNP 27

3.3 Input của chương trình MCNP 29

3.3.1 Cấu trúc file input 29

3.3.2 Các phần lệnh chủ yếu trong file input 30

3.4 Sử dụng chương trình MCNP cho tính toán tới hạn của lò phản ứng Đà Lạt 31 3.4.1 Mô hình tính toán MCNP 31

3.4.2 Tính toán tới hạn 34

3.4.3 Thực hiện mô phỏng 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

4.1 Thanh điều khiển tự động 37

4.1.1 Kết quả đo bằng phương pháp chu kỳ tiệm cận 37

4.1.2 Kết quả mô phỏng sử dụng chương trình MCNP 39

4.2 Thanh điều khiển bù trừ 41

4.2.1 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp bù trừ cho 4 thanh bù trừ 41

4.2.2 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp dưới tới hạn thanh bù trừ 1 44

4.2.3 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp thả rơi thanh thanh bù trừ 1 45 4.2.4 Kết quả mô phỏng MCNP cho thanh bù trừ 1 46

4.2.5 So sánh kết quả thu được từ các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng cho thanh bù trừ 1 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

sự hỗ trợ từ các thầy cô, anh chị, bạn bè ở Bộ môn Vật lý hạt nhân- Kỹ thuật hạt nhân cùng sự giúp đỡ tận tình của các chú, các thầy cô và anh chị ở Trung tâm đào tạo, Trung tâm lò phản ứng, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy Huỳnh Tôn Nghiêm, Thầy Nguyễn Minh Tuân, Thầy Lê Vĩnh Vinh đã

có những định hướng, giải đáp các thắc mắc và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình tiến hành thực hiện khóa luận

Thầy Nguyễn Kiên Cường, người giúp đỡ em tìm hiểu và thực hiện tính toán

trong phần mô phỏng MCNP cho khóa luận

Anh Phạm Quang Huy, người hướng dẫn trực tiếp, luôn quan tâm giúp đỡ tận

tình, truyền đạt những kinh nghiệm quý báo và chỉ ra những thiếu sót để khóa luận trở nên hoàn chỉnh, chính xác và đầy đủ hơn

ThS Nguyễn Duy Thông đã dành nhiều thời gian đọc khóa luận và có những góp ý chân thành để khóa luận được hoàn thiện hơn

Bạn bè và gia đình đã luôn ở bên cạnh quan tâm, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành khóa luận này

Sau cùng, dù đã cố gắng chỉnh sửa khóa luận một cách hoàn thiện nhất nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý anh chị, thầy cô

Em chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016 Sinh viên Phạm Minh Tuấn Anh

Hình 1.3 Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu độ giàu thấp 10

Hình 1.4 Vị trí các khối detector trong lò 12

Hình 1.5 Bố trí kênh đo độc lập trong lò phản ứng 13

Hình 1.6 Cấu hình của 1 kênh đo độc lập 13

Hình 3.1 Mặt cắt ngang vùng hoạt lò trong mô phỏng MCNP 35

Hình 4.1 Đường đặc trưng tích phân của thanh tự động so với năm 2011 38

Hình 4.2 Đường đặc trưng tích phân của thanh tự động thực nghiệm và mô phỏng

40

Hình 4.3 Đường đặc trưng tích phân của 4 thanh bù trừ 43

Hình 4.4 Đồ thị số đếm theo thời gian từ detector-2 của kênh độc lập 45

Hình 4.5 So sánh các kết quả thực nghiệm và tính toán đường đặc trưng tích phân thanh bù trừ 1 47

Bảng 2.2 Các tham số neutron trễ và neutron tức thời cho lò Đà Lạt 21

Bảng 3.1 Thành phần vật liệu lò Đà Lạt sử dụng trong tính toán MCNP 33

Bảng 4.1 Bảng chu kỳ lò phản ứng ứng với vị trí rút thanh tự động 37

Bảng 4.2 Giá trị độ phản ứng tại các vị trí của thanh tự động 37

Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng MCNP của thanh tự động 39

Bảng 4.4 Sự thay đổi vị trí thanh tự động ứng với từng đoạn rút lên của 4 thanh bù trừ 41

Bảng 4.5 Giá trị độ phản ứng tại các vị trí của 4 thanh bù trừ đo bằng phương pháp bù trừ 42

Bảng 4.6 Giá trị độ phản ứng của thanh bù trừ 1 đo bằng phương pháp dưới tới hạn 44

Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng MCNP của thanh bù trừ 1 46

Bảng 4.8 Kết quả đo độ phản ứng thanh bù trừ 1 đo bằng phương pháp thả rơi thanh 45

Bảng 4.9 Bảng so sánh độ phản ứng tổng của thanh bù trừ 1 qua các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng 47

AT An toàn

HEU Highly Enriched Uranium Nhiên liệu độ làm giàu cao LEU Low Enriched Uranium Nhiên liệu độ làm giàu thấp

Độ phản ứng của lò phản ứng (LPỨ) thay đổi trong suốt quá trình lò hoạt động

do các nguyên nhân khác nhau như: nhiệt độ thay đổi, nhiễm độc Xenon, cháy nhiên liệu,… Việc xác định độ phản ứng dự trữ và độ phản ứng dừng lò là một trong những yêu cầu nghiêm ngặt trong vận hành an toàn LPỨ Do đó, việc hiệu chuẩn các thanh điều khiển (TĐK) của một vùng hoạt mới là một trong những thực nghiệm cơ bản nhất sau khi tiến hành thiết lập cấu hình vùng hoạt

Đặc trưng tích phân (ĐTTP) của các TĐK đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý vận hành an toàn LPỨ Dựa vào đường cong ĐTTP của các TĐK có thể xác định được các thông số như độ sâu dưới tới hạn, độ phản ứng dự trữ, hệ số nhiệt độ,

hệ số công suất của độ phản ứng, độ nhiễm độc Xenon, sự tiêu hao độ phản ứng do cháy nhiên liệu,… Do đó, các số liệu hiệu chuẩn của các TĐK là vô cùng quan trọng đối với nhân viên điều khiển LPỨ vì nó giúp nhân viên điều khiển có thể đánh giá được sự thay đổi độ phản ứng thông qua sự dịch chuyển của các TĐK nhờ đó có thể vận hành LPỨ một cách an toàn

Trong quá trình hoạt động của LPỨ, độ hiệu dụng của các TĐK sẽ thay đổi dần

do nhiều hiệu ứng vật lý xảy ra đặc biệt là khi thực hiện các thao tác thay đổi cấu hình vùng hoạt Do đó việc xác định độ phản ứng tổng và ĐTTP của các TĐK là rất cần thiết và luôn được thực hiện định kỳ, đặc biệt là sau mỗi lần thay đổi cấu hình vùng hoạt

Mục đích của khóa luận là xác định độ phản ứng tổng và ĐTTP của các TĐK bằng các phương pháp khác nhau từ đó đánh giá sự tương quan và hiệu quả của các phương pháp Sau đó sử dụng chương trình tính toán mô phỏng MCNP để kiểm tra

và so sánh với các kết quả thực nghiệm

Các phương pháp được sử dụng để xác định ĐTTP của các TĐK trong khóa

luận là:

- Phương pháp chu kỳ nhân đôi

- Phương pháp dưới tới hạn

- Phương pháp bù trừ

- Phương pháp thả rơi thanh

Khóa luận gồm 4 chương với những nội dung chính như sau:

 Chương 1: Giới thiệu tổng quát về lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các phương pháp hiệu chuẩn thanh điều khiển

 Chương 3: Sử dụng chương trình mô phỏng MCNP để tính toán độ phản ứng

cho lò Đà Lạt

 Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm Thảo luận về kết quả đạt được

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT 1.1 Mô tả tổng quát

Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được nâng cấp từ Lò TRIGA Mark II công suất

250 kW của Mỹ, là loại lò bể bơi có công suất danh định 500 kW được làm mát và làm chậm neutron bằng nước nhẹ Sau khi nâng cấp, lò đạt tới hạn lần đầu vào ngày 01/11/1983 Lò được đưa vào vận hành chính thức vào tháng 3/1984 với các mục đích chính là sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt neutron, các nghiên cứu

cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, đào tạo cán bộ hạt nhân [1]

Bảng 1.1 Các thông tin chung của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [1]

Thông lượng neutron (nhiệt, cực đại) 21013 neutron/cm2.s

Loại nhiên liệu HEU

Loại nhiên liệu LEU

Hợp kim Al-U, độ giàu 36%

Cơ chế làm mát vùng hoạt Đối lưu tự nhiên

Cơ chế tải nhiệt Hai hệ thống nước làm mát

Vật liệu che chắn Bê tông, nước và nắp thép không gỉ Các thanh điều khiển 2 an toàn, 4 bù trừ và 1 tự động

Các thông tin chung của lò phản ứng Đà Lạt được nêu trong Bảng 1.1

Tháng 5/2011, LPƯ dừng hoạt động để chuyển đổi từ vùng hoạt hỗn hợp sang

sử dụng hoàn toàn nhiên liệu độ giàu thấp (LEU) Tháng 8/2011, 92 bó nhiên liệu độ giàu cao (HEU) và 12 bó nhiên liệu LEU trong vùng hoạt được chuyển lên các cốc chứa tạm tại tầng trung gian của bể lò Tháng 10/2011, toàn bộ 106 bó nhiên liệu HEU tại tầng trung gian (gồm 92 bó tháo dỡ vào tháng 8/2011 và 14 bó đã có sẵn từ tháng 9/2007 và tháng 7/2009) được chuyển sang bể chứa nhiên liệu đã cháy để cất giữ Lò phản ứng đạt trạng thái tới hạn với cấu hình 72 bó nhiên liệu LEU vào lúc 15 giờ 35 phút ngày 30/11/2011 và ngày 14/12/2011 cấu hình vùng hoạt làm việc với 92

bó nhiên liệu LEU được thiết lập [1]

1.2 Cấu trúc lò phản ứng

1.2.1 Cấu trúc che chắn của lò phản ứng

Kết cấu bê tông cốt thép của lò có chiều dài 8,6 m và chiều cao tính từ sàn nhà

lò khoảng 6,55 m (Hình 1.1 và 1.2) Cấu trúc che chắn của lò phản ứng theo dạng bậc thang nên phần đáy có chiều rộng khoảng 6,69 m, trong khi ở phía trên có hình bát giác với chiều rộng khoảng 3,81 m [1]

Bể chứa các bó nhiên liệu đã cháy có chiều rộng 2,46 m, chiều dài 2,7 m và sâu 3,66 m được định vị ngang ở phần đáy và có chiều cao của tường lên đến 3,76 m Chỗ có chiều dày cực đại trong kết cấu che chắn theo chiều hướng tâm từ trong vùng hoạt ra ngoài là 2,5 m Tất cả bê tông trong kết cấu che chắn có mật độ 2,35 g/cm3 ngoại trừ bê tông trong cửa cột nhiệt có mật độ 3,5 g/cm3 Các ống dẫn dòng neutron, cột nhiệt và cột nhiệt hóa xuyên qua kết cấu che chắn theo chiều hướng tâm vùng hoạt (hiện tại cột nhiệt hóa không còn sử dụng nữa) Gắn với kết cấu bê tông là các ống có đường kính 12,7 mm dẫn từ cột nhiệt và mỗi ống dẫn dòng neutron qua các van vào ống góp, ống góp này ở bên cạnh kết cấu che chắn Một đường thoát khí được nối với hệ thống này qua ống nối đường kính 7,6 cm trên ống góp Hệ thống này có khả năng lọc khí Argon-41 và một số khí phóng xạ khác từ cột nhiệt và các ống dẫn dòng neutron Một ống dẫn đường kính 12,7 mm được đặt trong kết cấu che chắn dẫn từ các ống dẫn dòng neutron đến rãnh phía trên của giá đỡ Những ống dẫn

này có các dây nối với hệ thống chỉ thị vị trí các nút chặn của các ống dẫn dòng neutron [1]

Ngoài ra còn có một tấm thép nặng 3,6 tấn, dày 15 cm được dùng để che chắn phóng xạ bổ sung phía trên thùng lò Nắp đậy này có một số lỗ có nắp di chuyển được

để thực hiện các thao tác bên trong bể lò, trong đó có một lỗ được đậy bằng kính để quan sát bên trong bể lò Nắp đậy này có thể quay tròn bằng mô tơ điện hay bằng tay Bậc thang với tay vịn bằng kim loại được nối từ sàn nhà lò đến chiều cao 3,76

m tại phần trên cùng của bể chứa nhiên liệu đã cháy Bậc thang và tay vịn cũng được nối từ vị trí này đến phần trên mặt của kết cấu che chắn Trên đỉnh kết cấu che chắn của lò phản ứng tạo ra một bề mặt rộng hơn nhờ bệ đỡ bê tông cốt thép và có lan can bảo vệ xung quanh Phần bên ngoài của bệ đỡ này được thiết kế để chịu trọng tải khoảng 734 kG/m2 Một phía của bệ đỡ này, nơi gần nắp đậy của lò, có 7 động cơ điều khiển các thanh điều khiển Các động cơ cũng như dây cáp nối với các thanh điều khiển được che bằng một hộp thủy tinh hữu cơ trong suốt để tránh bụi và đụng chạm gây sự cố Phần bên kia, có một thùng thép không gỉ với dung tích 300 lít chứa nước đã được khử khoáng để bổ sung nước cho bể lò [1]

1.2.2 Thùng lò phản ứng

Thùng lò phản ứng được làm bằng nhôm, xung quanh được bao bọc bằng bê tông với mục đích nhằm che chắn phóng xạ Thùng nhôm được giữ lại từ lò TRIGA trước đây, có đường kính ngoài khoảng 2 m, chiều cao 6,25 m, độ dày tối thiểu 6,2

mm [1]

Các kênh ngang, cột nhiệt và cột nhiệt hóa đâm xuyên qua thùng lò Những cấu kiện này được chia ra làm hai phần bằng một khe nhỏ tại phía ngoài của thùng lò Phần bên trong của những cấu kiện này được hàn với thùng lò, còn phần bên ngoài của các cấu kiện này được hàn với lớp bê tông che chắn cùng theo trục nằm ngang giống như phần bên trong Khe hở giữa phần bên ngoài và bên trong của các cấu kiện dùng để ngăn ngừa lực ép do giãn nở về nhiệt của thùng nhôm trong khi lò phản ứng hoạt động [1]

Thùng lò chứa nước đã được khử khoáng với mức nước cao 6,2 m, như vậy lớp nước che chắn phía trên vùng hoạt cao khoảng 5 m Nước trong bể lò là chất tải nhiệt, chất làm chậm cũng như là các lớp phản xạ ở trên và dưới vùng hoạt

Bể lò cũng có thể xem là rào chắn thứ hai (sau lớp rào chắn thứ nhất là vỏ bọc nhiên liệu) ngăn không cho các sản phẩm phân hạch có phóng xạ giải phóng ra bên ngoài [1]

1.2.3 Bố trí vùng hoạt lò phản ứng

Vùng hoạt của lò phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm và đường kính cực đại là 44,2 cm Bên trong vùng hoạt (Hình 1.3) theo chiều thẳng đứng đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium, các ống dẫn các thanh điều khiển và các kênh chiếu

xạ, tất cả đều được cố định bằng hai tấm được khoan lỗ (mâm xoi lỗ) ở dưới đáy vùng hoạt Vùng hoạt được đặt bên trong một thùng nhôm và được treo lên bằng một giá

đỡ, đáy của vùng hoạt cách đáy của thùng lò khoảng 60 cm Phía dưới của vùng hoạt

có một cơ cấu đỡ nhằm loại trừ nguy cơ vùng hoạt bị rơi xuống dưới thấp hơn vùng

có khả năng hấp thụ neutron của thanh điều khiển [1]

Mỗi mâm xoi có 121 lỗ để đặt các thiết bị, có dạng lưới tam giác với kích thước

35 mm Các ô được đếm với hai số nguyên (ví dụ 1-4, 13-2, v.v ) số thứ nhất chỉ thứ

tự hàng được tăng theo từng đơn vị theo hướng từ Đông sang Tây và số thứ hai cũng tăng theo thứ tự từng đơn vị theo hướng từ Bắc đến Nam 114 trong số các ô này dùng

để lắp đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại

để đặt các ống dẫn các thanh điều khiển [1]

Các khối beryllium có cùng kích thước và dạng hình học giống như các bó nhiên liệu Nhiều ô mạng ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên liệu được đặt các khối beryllium tạo thành vành phản xạ neutron bổ sung Bên cạnh đó, vòng beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa và được đặt giữa vùng hoạt

và vành phản xạ graphite tạo thêm một vành phản xạ cho lò Vành phản xạ beryllium này cũng như vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có hình trụ có vị trí thấp hơn giá đỡ

Bảy ô mạng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm theo chiều thẳng đứng với đường kính bên trong là 33 mm nhằm định vị các thanh điều khiển Phần dưới của các ống nhôm dẫn thanh điều khiển nằm dưới đáy của vùng hoạt bị bóp nhỏ lại

để tránh các thanh điều khiển có thể rơi ra ngoài vùng hoạt trong trường hợp dây cáp treo bị đứt Các ống nhôm này được cố định nhờ mâm xoi lỗ dưới đáy vùng hoạt và được gắn vào giá đỡ gần trên đỉnh thùng lò Tất cả các ống nhôm dẫn các thanh điều khiển đều có nước bên trong và phần dưới có các lỗ khoan để nước thoát ra ngoài khi thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới

Có một số kênh chiếu xạ theo chiều thẳng đứng trong vùng hoạt lò phản ứng Bảy ô trung tâm trong vùng hoạt được đặt 6 khối beryllium xung quanh một hốc nước

để tạo thành bẫy neutron ở tâm; một số ô mạng ở ngoại vi vùng hoạt dùng làm các kênh chiếu xạ khô và ướt Hiện tại chỉ còn ô mạng 1-4 được dùng làm kênh ướt chiếu mẫu, còn ô mạng 13-2 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu ngắn đến 5 giây và ô mạng 7-1 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu dài trên 45 giây [1]

Hình 1.3 Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu độ giàu thấp

1.3 Hệ thống kiểm tra độ phản ứng

1.3.1 Các đầu dò neutron

Để đo thông lượng neutron, hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng hiện tại

sử dụng 3 khối đầu dò neutron độc lập nhau, mỗi khối có 2 detector Các khối đầu dò được đặt trong 3 kênh khô bằng các ống nhôm kín nước ở các vị trí và độ sâu khác nhau trong vùng nước giữa vành phản xạ graphite và thùng lò (Hình 1.4) Theo thiết

kế của hệ AKNP-5A cũ trước đây, các đầu dò đo thông lượng neutron trong ba dải: dải nguồn, dải trung gian và dải năng lượng Sáu đầu dò sử dụng trong dải nguồn và dải trung gian là loại buồng phân hạch loại KNK-15, làm việc theo chế độ xung Ba đầu dò sử dụng trong dải năng lượng là các buồng ion hóa B-10 loại KNK-3 làm việc theo chế độ dòng Tất cả các đầu dò này đều có bù trừ bức xạ gamma, được bọc bằng lưới chắn điện từ và chứa đầy khí nitơ khô với độ tinh khiết cao Riêng 3 đầu dò của

dải trung gian còn được che chắn thêm bằng các buồng chì [1]

Từ tháng 3/2007, hệ thống điều khiển được thay thế mới và số lượng đầu dò neutron được sử dụng ít hơn, chỉ còn 6 đầu dò Trong mỗi ống nhôm chứa 3 đầu dò nhưng chỉ có 2 đầu dò được sử dụng vì có một đầu dò dải rộng là buồng phân hạch IC1 độ nhạy cao có thể ghi nhận thông lượng neutron trong dải khởi động Buồng ion hóa B-10 IC3 bù trừ gamma được dùng để đo thông lượng neutron trong dải làm việc Các khối đầu dò được đặt trong các ống kín nước có bao bọc bằng chì, tại các vị trí đặt đầu dò dải trung gian của hệ điều khiển AKNP-5A trước đây [1]

Bên cạnh đó còn có 2 kênh đo độc lập sử dụng ống đếm He-3 ghép nối với khối MCA, máy tính PC để thu nhận và chỉ thị tốc độ đếm xung theo thời gian (Hình 1.5

và 1.6)

Hình 1.4 Vị trí các khối detector trong lò

1 Vùng hoạt 3 Chì che chắn 5 Các det của ASUZ-14R

2 Vành phản xạ graphite 4 Các det của AKNP-5A 6 Các det của AKNP-5A

Hình 1.5 Bố trí kênh đo độc lập trong lò phản ứng [1].

Hình 1.6 Cấu hình của 1 kênh đo độc lập [2]

PC (Genie 2000)

HV Sup

(3002D)

1.3.2 Các thanh điều khiển hấp thụ

Hệ thống bảo vệ và điều khiển lò phản ứng sử dụng 7 thanh điều khiển được đặt đối xứng trong vùng hoạt, bao gồm hai thanh an toàn (AT), bốn thanh bù trừ (BT) và một thanh điều chỉnh tự động (TĐ) Các thanh an toàn và bù trừ được làm bằng Cacbit

Bo (B4C) với mật độ 1,7 g/cm3 và có vỏ bọc bằng thép không gỉ Thanh điều chỉnh

tự động được làm hoàn toàn bằng thép không gỉ Chiều dài hấp thụ của mỗi thanh điều khiển là 650 mm, đủ để bao phủ toàn bộ chiều cao của vùng hoạt Đường kính ngoài của thanh điều khiển, kể cả phần vật liệu hấp thụ và phần vỏ bọc bằng thép không gỉ là 27 mm Tất cả các thanh điều khiển dịch chuyển trong các ống nhôm có nước, hai thanh an toàn được đặt ở các ô 3-5 và 11-5, bốn thanh bù trừ đặt ở các ô 4-

8, 4-3, 10-3 và 10-8, thanh điều chỉnh tự động đặt ở ô 7-11 (Hình 1.3) Phần phía dưới của các ống dẫn thanh điều khiển dài ra ngoài phía dưới đáy vùng hoạt để hướng các thanh nhôm, được gắn với phần dưới của các thanh điều khiển Mỗi thanh điều khiển đều được gắn với động cơ điện riêng bằng các dây cáp [1]

Hai thanh an toàn, độc lập với nhau, có thể rơi hoàn toàn vào vùng hoạt với thời gian nhỏ hơn một giây, hơn nữa chỉ với một thanh an toàn đã đủ khả năng dập tắt phản ứng dây chuyền, tức là ngừng hoạt động của lò

Bốn thanh bù trừ dùng để bù trừ độ phản ứng dự trữ của lò phản ứng Khi được rút lên một phần nào đó, chúng cũng có thể bị rơi tự do vào vùng hoạt để đưa vào độ phản ứng âm giống như các thanh an toàn Giá trị độ phản ứng của chúng đảm bảo lò phản ứng ngừng hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn rất sâu Tốc độ dịch chuyển cực đại của các thanh an toàn và bù trừ là 3,4 mm/s [1]

Thanh điều chỉnh tự động dùng để điều chỉnh công suất lò phản ứng Tốc độ dịch chuyển cực đại của thanh là 20 mm/s [1]

1.3.3 Các động cơ thanh điều khiển

Mỗi động cơ của các thanh an toàn hay bù trừ bao gồm một mô-tơ điện một chiều, một nam châm điện, một bộ giảm tốc, các công tắc báo vị trí, bộ chỉ thị phân

điện thế một chiều 48V Khi được cấp điện, nam châm sẽ giữ khớp nối Khi quay qua khớp nối này, động cơ làm quay trống để đưa các thanh điều khiển vào trong hay ra ngoài vùng hoạt Từ trống này qua một loạt bánh răng cưa, trục chỉ thị chia thế cũng quay tròn, và sau đó tín hiệu chỉ thị vị trí thanh điều khiển được thiết lập và được đưa đến bàn điều khiển trong phòng điều khiển lò phản ứng Có các công tắc chỉ thị vị trí làm giới hạn dịch chuyển lên hay xuống của các thanh điều khiển khi các thanh điều khiển đạt được các vị trí cao nhất hoặc thấp nhất Khi có tín hiệu sự cố hay điện thế

bị ngắt, nam châm sẽ không hoạt động, tấm giữ khớp nối không được hút nữa và thanh điều khiển, nếu đang được kéo lên, sẽ rơi tự do vào vùng hoạt (để tăng vận tốc rơi, thời gian ban đầu vận hành có sử dụng lò xo) Khi thanh điều khiển đang rơi, nhờ cáp treo làm cho trống cũng quay theo, việc quay này sẽ được truyền đến đai ốc tác dụng đến việc gài lại khớp nối để thanh điều khiển sẽ dừng lại một cách từ từ [1]

Cơ cấu động cơ của thanh điều chỉnh tự động bao gồm một mô-tơ điện AC-50Hz, một bộ đo tốc độ, bộ giảm tốc có trống quay, các công tắc báo vị trí, một

110V-bộ chỉ thị vị trí thanh bằng chia thế, một trống quay nữa để cuốn cáp và kéo cả thanh điều khiển Khi động cơ quay tròn, qua một phần cuối của trục quay, việc quay này truyền qua trống quay đầu tiên để kéo dây cáp nối với thanh điều khiển Một phần cuối nữa của trục quay gắn với bộ giảm tốc có trục quay thứ hai Khớp nối của trống quay này được ghép với trục bánh xe của bộ chỉ thị vị trí và hộp có các công tắc báo

vị trí qua các bánh răng cưa Hai điểm tiếp xúc “0%” và “100%” làm giới hạn chuyển động của thanh điều khiển khi thanh này đạt được các vị trí cao nhất và thấp nhất Ngoài ra vẫn còn có các điểm “20%”, “50%” và “80%” được sử dụng và đưa tín hiệu đến mạch điều khiển của thanh điều chỉnh tự động Bộ chỉ thị vị trí có nhiệm vụ hình thành các tín hiệu chỉ thị vị trí thanh và đưa tín hiệu đến bàn điều khiển Có khối đối trọng nối với động cơ để hỗ trợ cho hoạt động đều và êm của động cơ [1]

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN THANH ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Neutron trong lò phản ứng

Phần lớn các neutron được sinh ra do quá trình phân hạch xuất hiện ngay khi xảy ra phân hạch được gọi là các neutron tức thời Chỉ một phần nhỏ neutron xuất hiện sau thời điểm xảy ra phản ứng phân hạch một thời gian nào đó gọi là các neutron trễ Diễn biến của trạng thái lò phản ứng theo thời gian phụ thuộc vào tính chất khác nhau của hai loại neutron này

2.2.2 Lò phản ứng không có neutron trễ

Gọi l là thời gian sống trung bình của neutron tức thời, tức là khoảng thời gian trung bình từ lúc neutron tức thời được phát ra bởi phân hạch cho đến khi chúng bị hấp thụ Chu kỳ LPỨ là khoảng thời gian mà mật độ thông lượng neutron hay công

suất của lò tăng lên e lần (e ≈ 2.718)

Xét một lò nhiệt đồng nhất vô hạn, tốc độ thay đổi mật độ thông lượng [2] trên đơn vị thể tích là:

dn

Trong đó sT là mật độ nguồn neutron (neutron/cm3.s), Σa là tiết diện hấp thụ vĩ

mô (cm-1), Φ là thông lượng (neutron/cm2.s) Khi không có sự đóng góp của neutron trễ, mật độ nguồn sẽ là:

Lời giải của phương trình (2.3):

0,1 giây Tức trong 1 giây, công suất lò tăng lên e10 ≈ 22000 lần

2.2.3 Lò phản ứng có neutron trễ

Với chu kỳ lò ngắn như vậy thì LPỨ hoàn toàn không thể điều khiển được Tuy nhiên, do trong lò còn có sự có mặt của các neutron trễ được phát ra từ các sản phẩm phân hạch như: Br, Rb, I nên chu kỳ lò sẽ lớn hơn rất nhiều Các neutron trễ này được chia thành 6 nhóm và được cho trong Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Các nhóm tiền tố neutron trễ với phân hạch neutron nhiệt trong 235U [2]

trung bình (keV)

Chu kỳ bán rã (giây)

2,1 14,1 12,6 25,3 7,4 2,7

β = 64,2

Phần đóng góp neutron trễ trên toàn bộ neutron phân hạch là xấp xỉ 0,64% đối với lò dùng nhiên liệu 235U Nếu ti là thời gian sống trung bình của tiền tố phát neutron trễ và βi là tỷ số sinh của neutron trễ nhóm i, khi đó βiti là thời gian sống trung bình

và Σβiti là tổng thời gian sống trung bình của các neutron trễ Do đó, tổng thời gian sống trung bình của toàn bộ neutron trong lò là:

Sử dụng các giá trị từ Bảng 2.1 thì Σβiti ≈0,1 giây lớn hơn nhiều với l = 10-4

giây nên có thể xem như thời gian sống trung bình của neutron trong lò lúc này gần như được quyết định bởi neutron trễ, trong trường hợp k∞= 1,001 thay l̅ = 0,1 giây vào phương trình (2.6) ta tính được T ≈ 100 giây, tức trong 100 giây công suất lò tăng lên e lần Với mức chu kỳ này, lò phản ứng hoàn toàn có thể điều khiển được

2.2 Các phương pháp hiệu chuẩn thanh điều khiển

Khóa luận sử dụng phương pháp chu kỳ tiệm cận để hiệu chuẩn thanh điều khiển

tự động, phương pháp bù trừ để hiệu chuẩn bốn thanh điều khiển bù trừ, phương pháp dưới tới hạn để chuẩn thanh bù trừ 1 và phương pháp rơi thanh để đo độ phản ứng tổng của thanh bù trừ 1

2.2.1 Phương pháp chu kỳ tiệm cận

Phương pháp chu kỳ tiệm cận là một trong những phương pháp được áp dụng phổ biến nhất để đo độ phản ứng của các thanh điều khiển trong vùng hoạt Phương pháp này có độ chính xác cao và dễ thực hiện Các nguyên nhân ảnh hưởng đến tính chính xác của phép đo bao gồm các sai số về các thông số của các nhóm neutron trễ, sai số về chỉ thị vị trí thanh điều khiển, sai số xác định chu kỳ tăng công suất, ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt độ Sai số của phép đo này thường trên 5% đối với giá trị hiệu dụng tổng của thanh điều khiển được hiệu chuẩn

Ban đầu LPỨ được giữ ở trạng thái tới hạn với công suất N0, mức công suất này cần phải đủ bé để tránh hiệu ứng nhiệt độ nhưng cũng cần đủ lớn để đảm bảo giảm sai số thống kê Tiếp theo rút TĐK ra khỏi vùng hoạt một khoảng ΔH nào đó, điều

đó tương ứng với đưa thêm vào lò một độ phản ứng dương ρ Vì khoảng thời gian kéo thanh tương đối ngắn nên ta có thể giả thuyết là độ phản ứng dương ρ là đưa vào

tức thời [2] Sau một khoảng thời gian chuyển tiếp, công suất lò sẽ tăng theo quy luật chu kỳ tiệm cận:

N(t) = NCT.et/T = NCT eln2T2t (2.26) Trong đó:

NCT là công suất sau một khoảng thời gian chuyển tiếp

T2 là chu kỳ nhân đôi (tức khoảng thời gian để công suất lò tăng lên 2 lần)

T = T2/ ln2 là chu kỳ lò (tức khoảng thời gian để công suất lò tăng lên e = 2.718 lần)

Chu kỳ nhân đôi T2 được xác định dựa vào đường cong tăng công suất LPỨ theo biểu thức (2.26) Sau khi nhận được giá trị T2 và tương ứng là giá trị T, độ phản ứng

Δρ của đoạn TĐK kéo ra khỏi vùng hoạt được tính theo phương trình giờ ngược (2.25)

Giá trị của các thông số l, λi, βeff và βi đối với lò Đà Lạt được cho trong bảng 2.2 dưới đây:

Bảng 2.2 Các tham số neutron trễ và neutron tức thời cho lò Đà Lạt [2]

Tiếp tục rút TĐK lên từng đoạn cho đến khi thanh nằm hoàn toàn ngoài vùng hoạt, đo chu kỳ và xác định độ phản ứng tương ứng Từ đó xác định đường cong ĐTTP và độ phản ứng hiệu dụng tổng của TĐK [2] Phương pháp chu kỳ tiệm cận được áp dụng để đo độ phản ứng của TĐK tự động

2.2.2 Phương pháp dưới tới hạn

Phương pháp hiệu chuẩn dưới tới hạn có ưu điểm là rất an toàn và tiến hành trong khoảng thời gian tương đối nhanh Phương pháp này cũng có thể áp dụng để đo giá trị độ phản ứng lớn trong một phép đo, do vậy rất thuận tiện để đo độ phản ứng dập lò Một thuận lợi khác của phép đo này là độ phản ứng được xác định không phải

là một hàm phụ thuộc thời gian, như vậy kết quả đo sẽ không bị ảnh hưởng bởi sai số xác định thời gian như phương pháp chu kỳ tiệm cận Phép đo được thực hiện khi lò phản ứng ở mức công suất rất thấp, sâu dưới tới hạn (từ 10-5 đến 10-3% công suất danh định) nên loại trừ được đóng góp của hiệu ứng nhiệt độ Một trong số những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến tính chính xác của phép đo là từ hiệu ứng giao thoa của các thanh điểu khiển Hiệu ứng này hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí của các thanh điều khiển trong vùng hoạt

Phương pháp này sử dụng nguồn photon- neutron phát neutron và được nhân lên trong LPỨ ở trạng thái dưới tới hạn

Nếu Q là cường độ nguồn neutron, keff là hệ số nhân hiệu dụng và f là hằng số

tỉ lệ, khi đó tốc độ đếm Z được cho bởi: